無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展與應(yīng)用

李勇志，支曉棟，唐海龍，李 丹，趙 政，孫長(zhǎng)奎

(1.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京100083;2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京100871)

無(wú)人機(jī)作為新型遙感和測(cè)繪平臺(tái)，相比于地面靜態(tài)觀測(cè)和衛(wèi)星航空觀測(cè)更加靈活，分辨率也更高，數(shù)據(jù)信息也具有相當(dāng)或更高的準(zhǔn)確度。無(wú)人機(jī)技術(shù)在遙感中的應(yīng)用滿足了遙感技術(shù)在軍事、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、環(huán)境科學(xué)等多領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)、管理的不同需求。無(wú)人機(jī)拓寬了遙感技術(shù)時(shí)空的尺度，可以多時(shí)段反復(fù)探測(cè)，又能滿足從局部到大區(qū)域的探測(cè)需求，在精度方面可以達(dá)到0.1 m甚至0.01 m級(jí)別，通過(guò)搭載不同探測(cè)器可以獲得多層面的信息數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)采集信息的能力有其突出特點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理、分析模型建立、信息提取轉(zhuǎn)譯等后續(xù)技術(shù)仍在不斷研發(fā)過(guò)程之中。總體而言，無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用具有很好的前景。

1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)遙感技術(shù)一般采用衛(wèi)星和大型飛機(jī)作為遙感平臺(tái)，可以進(jìn)行大面積觀測(cè)并獲取豐富的綜合性數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，傳統(tǒng)遙感在小時(shí)空尺度的數(shù)據(jù)采集分析上也存在著分辨率不足的問(wèn)題。而且，航空遙感易受空間輻射和云層等因素的干擾。近些年來(lái)，小型無(wú)人機(jī)作為低成本的新型遙感平臺(tái)，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感的缺陷，也因其特有的優(yōu)勢(shì)，在局部遙感和應(yīng)急監(jiān)測(cè)方面取得了巨大成功。無(wú)人機(jī)遙感要求裝載的遙感儀器體積小、重量輕、抗震性好。無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)的結(jié)構(gòu)可以分為飛行器分系統(tǒng)、測(cè)控及信息傳輸系統(tǒng)、信息獲取與處理系統(tǒng)及保障系統(tǒng)幾個(gè)部分。

目前較為先進(jìn)的無(wú)人機(jī)重量一般為10 kg左右，可以采集多波段光譜數(shù)據(jù)，搭載有合成的多功能探測(cè)器，依靠地面的操控站對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)施操控，對(duì)無(wú)人機(jī)傳回的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，自動(dòng)或人工對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行任務(wù)設(shè)定、航線調(diào)整等［1］。

無(wú)人機(jī)在遙感領(lǐng)域的應(yīng)用有很多優(yōu)勢(shì):

(1)突破作業(yè)條件，可以低空、連續(xù)、低成本、低風(fēng)險(xiǎn)采集數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)航測(cè)和衛(wèi)星遙感，可以進(jìn)行云下低空飛行，提高了分辨率。通過(guò)地面遙控減少操作人員的訓(xùn)練投入和安全風(fēng)險(xiǎn)。監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)定更加靈活，可以連續(xù)或者周期性監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)傳回分析數(shù)據(jù)。在成本方面，無(wú)人機(jī)運(yùn)行成本明顯低于衛(wèi)星和載人飛機(jī)，無(wú)人作業(yè)方式大幅降低人力和安全成本。

相對(duì)于衛(wèi)星遙感和大型航空遙感，無(wú)人機(jī)可以獲得更為精細(xì)的數(shù)據(jù)，對(duì)地形地貌的時(shí)空變化監(jiān)測(cè)精度可以到達(dá)0.01 m 級(jí)別［2］。

(2)時(shí)效性，快速響應(yīng)應(yīng)急作業(yè)。無(wú)人機(jī)體積小，便于操作、轉(zhuǎn)場(chǎng)，對(duì)于起降場(chǎng)地要求也相對(duì)弱，可以依據(jù)需求短時(shí)間準(zhǔn)備后迅速起降，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的快速實(shí)時(shí)獲取。

(3)使用維護(hù)便捷。無(wú)人機(jī)相對(duì)于大型飛機(jī)和衛(wèi)星的使用，調(diào)試及維護(hù)都更加方便便捷，可以根據(jù)需求及時(shí)調(diào)整，使用靈活精確，出勤率高，設(shè)備維修相對(duì)容易。

無(wú)人機(jī)這種局地尺度、連續(xù)起降、多時(shí)空、多信息維度重復(fù)信息采集特點(diǎn)，使其在農(nóng)用領(lǐng)域有著極大的發(fā)展空間和應(yīng)用效益。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于水文地質(zhì)、地形地勢(shì)的信息采集分析是農(nóng)業(yè)布局的基本決策前提。無(wú)人機(jī)遙感作為一種新的測(cè)繪方式具有很多優(yōu)勢(shì)且實(shí)際應(yīng)用廣泛。無(wú)人機(jī)在多時(shí)相測(cè)繪方面有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。機(jī)載激光掃描是獲取數(shù)字地形模型資源信息的重要手段，但是耗費(fèi)較昂貴［3-4］。利用無(wú)人機(jī)搭載移動(dòng)式激光掃描儀、CCD相機(jī)、光譜儀以及熱成像攝像機(jī)，不僅可以記錄幾何輪廓數(shù)據(jù)，還可以采集圖片信息、激光背散射強(qiáng)度、高光譜和熱信息數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)可以相對(duì)廉價(jià)地多次反復(fù)采集數(shù)據(jù)，使其在多時(shí)相數(shù)據(jù)采集方面具有獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)技術(shù)在數(shù)字地形模型的建立中取得了巨大的成功，對(duì)裂縫和表面位移都能進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)描述［5］。

除了局地尺度測(cè)繪，無(wú)人機(jī)在更為精細(xì)的幾何測(cè)量方面也有很好的應(yīng)用。精細(xì)尺度的測(cè)量用于監(jiān)測(cè)樹(shù)木生長(zhǎng)高度、枝葉分布密度，可以對(duì)樹(shù)木的長(zhǎng)勢(shì)、林區(qū)發(fā)育情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便優(yōu)化管理，且已有很多成功案例［6-7］。此外，在林火監(jiān)測(cè)中無(wú)人機(jī)遙感有較長(zhǎng)的應(yīng)用歷史，隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷提升，近來(lái)在國(guó)內(nèi)森林資源調(diào)查方面也有有效應(yīng)用［8］。無(wú)人機(jī)技術(shù)可以完美應(yīng)對(duì)森林調(diào)查對(duì)時(shí)效分辨率以及場(chǎng)地因素的限制，為生態(tài)規(guī)劃和植被管理提供了最有效的數(shù)據(jù)。

環(huán)境狀況包括營(yíng)養(yǎng)和污染現(xiàn)象嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)管理。在環(huán)境信息獲取方面，無(wú)人機(jī)遙感可以突破定點(diǎn)采樣的局限，全面直觀地表現(xiàn)濁度、富營(yíng)養(yǎng)化、污染物擴(kuò)散等信息，為環(huán)境污染控制和治理提供最為及時(shí)可靠的信息［9］。另外如果搭載采樣器還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)視地形的采樣。環(huán)境信息的采集為農(nóng)業(yè)管理提供了第一手決策支持。

在耕作農(nóng)業(yè)方面，無(wú)人機(jī)可以采集地質(zhì)、水文和作物等方面的信息，為精細(xì)農(nóng)業(yè)管理控制提供準(zhǔn)確完善的信息。無(wú)人機(jī)可以不斷監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)、土地條件變化、農(nóng)藥施用效果和蟲(chóng)害預(yù)防等［10］。例如，在柑橘種植過(guò)程中，通過(guò)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)分析葉綠色熒光信息和光化學(xué)植被指數(shù)可以準(zhǔn)確反映柑橘的水分含量，為合理節(jié)約灌溉提供支持［11］;通過(guò)無(wú)人機(jī)的信息獲取可以定量分析冠層氮密度，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分狀況評(píng)估，合理施肥［12］。在農(nóng)田除草方面，無(wú)人機(jī)遙感可以有效評(píng)估定位，合理用藥［13］。在牧場(chǎng)的管理中無(wú)人機(jī)技術(shù)正好契合了其反復(fù)觀測(cè)和地域尺度的需求，通過(guò)植被時(shí)空變化數(shù)據(jù)位牧場(chǎng)管理利用提供了準(zhǔn)確信息支持，根據(jù)牧草的分布和長(zhǎng)勢(shì)趨勢(shì)，合理安排畜牧，既合理保護(hù)草場(chǎng)又可以實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［14］。另外，無(wú)人機(jī)還可用于執(zhí)行海域監(jiān)管信息可視化、事故發(fā)現(xiàn)處理、項(xiàng)目監(jiān)測(cè)等重要任務(wù)［15］。

3 無(wú)人機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)結(jié)合發(fā)展難點(diǎn)與展望

雖然，無(wú)人機(jī)技術(shù)在很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中取得了有效成果，但是無(wú)人機(jī)原始遙感數(shù)據(jù)信息到農(nóng)業(yè)訊息的轉(zhuǎn)譯過(guò)程，也就是原始信息的農(nóng)學(xué)意義的分析和確定還存在很多技術(shù)空白和技術(shù)難點(diǎn)。這需要技術(shù)人員和農(nóng)業(yè)工作者共同協(xié)作，在數(shù)據(jù)采集、提取、處理、解譯和分析等方面進(jìn)行更多的方法性和可操作性的開(kāi)拓工作。

灌溉管理是農(nóng)業(yè)最基本的問(wèn)題，合理高效灌溉，是保障作物生長(zhǎng)和節(jié)約用水的基本準(zhǔn)則。無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)一個(gè)很好的協(xié)助手段，并取得一定成功，但在響應(yīng)信息解讀和分析層面仍存在較大的不確定性和差異性［16］。多波段遙感信息以及熱成像信息都是水分判斷的主要依據(jù)，然而這些信息數(shù)據(jù)在不同作物間存在一定差異。因此，在應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水分管理要因地制宜，根據(jù)具體問(wèn)題建立特異的回歸判斷數(shù)據(jù)信息，這些信息庫(kù)的建立和完善工作還有待加強(qiáng)。

無(wú)人機(jī)硬件條件的改進(jìn)是無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展的基礎(chǔ)條件因素:本身材料需要改進(jìn)，使得機(jī)身更加輕便，并能抵御惡劣環(huán)境干擾;設(shè)計(jì)方面也有待提高以適應(yīng)保障飛行穩(wěn)定性的需求。

在遙感功能方面，需要精確高效的采集設(shè)備、高效準(zhǔn)確的信息處理系統(tǒng)，對(duì)于作物營(yíng)養(yǎng)、生長(zhǎng)的細(xì)微信息，需要更加精確地采集和分析來(lái)方便管理和操作。在田間雜草監(jiān)控應(yīng)用中，對(duì)于雜草分布的確定是除草劑高效發(fā)揮效用的前提［13］。

能源供給和高效利用也是無(wú)人機(jī)應(yīng)用過(guò)程中亟待科研的重要環(huán)節(jié)。相比于燃料燃燒供給，電能形式供給效率更高，因此大容量電池和燃料電化學(xué)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展都將為無(wú)人機(jī)應(yīng)用帶來(lái)質(zhì)的飛越。

另外，從遙感方面，被動(dòng)式探測(cè)手段也將節(jié)省很多能源保證無(wú)人機(jī)持久續(xù)航［17］。此外，無(wú)人機(jī)的建造成本和探測(cè)器的成本也是限制無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用的重要因素。

4 結(jié)論

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，為現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了更為有力的技術(shù)支持。多時(shí)空尺度、多指標(biāo)信息采集，高分辨率、高精度信息的獲取、分析及管理促進(jìn)了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)結(jié)合的更好契合。

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